双有源桥(DAB)是固态变压器(SST)中备受青睐的DC-DC转换方案。在这些转换器中使用碳化硅(SIC)功率开关，在效率、功率密度和先进的SST拓扑结构方面带来了诸多优势。

固态变压器的优势

低频变压器(LFT)一个多世纪以来一直是配电网的关键元件。它们能够高效地进行AC-AC电压变换，特别是在满载条件下。LFT有助于维持电网稳定性，通常能承受较高的过载电流，支持更简单的保护方案，使用寿命长，且初始成本相对较低。

SST利用电力电子技术实现更高频率的磁隔离。与LFT相比，SST具有若干关键优势，部分总结如下：

· 变压器的磁通量与频率成反比，这意味着SST中使用的、基于半导体开关频率达几十到几百kHz的中频变压器(MFT)，远小于工作在50/60Hz的LFT。紧凑的尺寸带来了高得多的功率密度，也允许更灵活的放置，例如安装在电力机车顶部。

· 以数据中心配电系统为例。将输入的10-35kVAC进行转换的LFT会产生480VAC电压，然后输送到数据中心。而SST可以直接使用MFT产生±400V电压。传输这种800V直流电可节省高达60%的电缆体积，或者，在使用与传输480VAC相同的电缆体积时，可节省大致相同水平的功率损耗[1]。

· SST通过实时电压调节实现智能电网。

· 无功补偿功能可在输入端实现近乎单位功率因数校正(PFC)，从而降低损耗。同时使用有源滤波来滤除谐波。

· SST中的双向功率流拓扑支持集成分布式发电系统以及车辆到电网(V2G)电力传输等应用。

· SST可以更轻松地连接交流和直流电网/负载。SST在光伏(PV)发电领域带来显著优势的一个例子是：SST尺寸和重量减小;多级SST中的直流链路能力使其更容易与光伏直流和储能系统(ESS)输出接口;以及采用主动控制来最小化光伏电站可变性的影响。

· LFT通过其阻抗产生故障电流，可用于触发传统的熔断器/继电器。SST通过功率开关产生的故障电流极小，因此需要不同的保护方法。固态断路器(SSCB)可以是该解决方案的一部分。使用SSCB进行快速检测可以最大限度地减小故障电流。SST内部电力电子级的模块化和冗余设计可以提高系统可靠性和使用寿命，使其更接近LFT的水平。

· 虽然LFT在满载条件下峰值效率可高达99%，但其因持续的铁损而具有较大的空载/轻载损耗。在AC-DC应用中需要额外整流器级的LFT，其效率可能低得多。而SST在可变负载条件下可以实现更优的平均效率(约98%)。

固态变压器架构

SST可以是单级AC-AC结构，例如使用矩阵变换器的那些。这类系统缺少直流链路，使得输出电压调节具有挑战性。图1所示的两级和三级SST采用了DC/DC隔离级，从而实现更好的控制。

图1

级联结构，例如输入串联输出并联(ISOP)拓扑，允许以模块化方式使用额定电压更低的半导体，如图2所示。

隔离型DC-DC转换器是两级和三级SST架构的核心。DAB可能是此应用中最常见的DC-DC转换器。下面，我们讨论它的一些关键特性。

图2

双有源桥隔离型DC-DC转换器

传统的两电平DAB在MFT或高频变压器(HFT)的每一侧，每个桥臂使用四个开关器件，如图3所示。

通过适当的开关控制，桥臂原边和副边产生高频方波，并通过相移来控制。电感LK(可以是HFT的漏感)作为耦合电感。通过两个桥臂之间适当的相移，可以在电感上产生较高的电感电流 [I = (Vp – Vs) / L] 并传输到负载。功率从超前桥臂传输到滞后桥臂。DAB转换器具有许多优点：

· 本质上是双向的。

· 具有宽的电压传输比。

· 可以实现零电压开通或零电流关断(ZVS/ZCS)，以最小化开关损耗。

· 具有降压或升压模式功能。

· 可用于大功率转换应用。

· 表现为回转器，即输入/输出桥臂的平均电流分别与副边/原边上的相移电压成正比。

基本的单相移调制方案在轻载或非单位电压传输下会产生较高的环流，并且ZVS工作的窗口有限。业界已经提出了各种其他调制方案，例如扩展相移和双相移，这些方案可以改善ZVS窗口和效率，但会增加控制复杂性。

通常，DAB转换器中的功率传输与开关频率和电感LK成反比。然而，对于高压应用，需要一定的最小LK来维持隔离。

谐振DAB转换器在电感LK上串联一个电容。如果桥路电压开关在LC谐振频率下进行，则可以实现ZVS和ZVC工作，尤其是在单位电压传输比下。这使得它在某些大功率应用中非常高效。

该电容用作隔直电容，并且可以调整谐振以抵消无功特性，从而使功率流动不受原边和副边之间隔离水平的影响。

图3

DAB转换器中的SiC mosfet

使用SiC MOSFET可以在保持低开关损耗的同时实现更高的开关频率。这有助于减小无源元件的尺寸。SiC改进的热特性在SST应用中可能是一个重要因素，它允许使用更简单的冷却系统。

产生导通损耗的MOSFET导通电阻RDS(on)以及开通/关断开关损耗都是重要因素。SiC MOSFET中低反向恢复电荷有助于减少过冲和第三象限损耗。在高开关频率下，低输出电荷(Qoss)导致SiC MOSFET的Eoss损耗更低。

一个重要的考虑因素是器件的电压等级。较低额定电压的器件将具有更好的导通和开关损耗品质因数(FOM)，但需要更高程度的级联，尤其是在SST中压电网应用中。现在已有可在高于10kHz开关频率下工作的10kV SiC MOSFET，这使得紧凑型SST成为可能。

最近提出了一种3/2电平DAB [2]，它在原边使用中性点钳位(NPC)3L桥臂，因此允许使用额定电压较低的器件或更少的级联单元。